沙头角水厂位于深圳市盐田区,始建于1994年,设计供水能力4万m³/d,原采用常规处理工艺(见图1),供水范围4.4km²,服务人口约16万。

　　 水厂日常出厂水水质主要指标可满足《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)要求,但仍存在以下一些问题。

　　 (1)原水水质波动。沙头角水厂所用水源为深圳水库水和正坑水库水,原水水质总体达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅱ类标准。在雨洪季节,浊度等指标会大幅提高,浊度最高超过100NTU。正坑水库是水厂备用水源,库容仅有38万m³,由于无固定原水补充,换水周期较长,4~10月期间还会出现水生生物大量孳生问题,藻密度最高达到1 780万个/L,水厂常规工艺难以处理,需要采取切换水源等其他措施,水质生物安全风险较大。

　　 (2)设施老化破损。沉淀池斜管老化导致穿孔排泥管吸泥效果差,滤池隔墙穿孔导致滤池窜水等工艺构筑物问题影响出水水质。

　　 (3)设备故障。水厂大部分机电设备使用年限较长,故障率高,主要依靠员工手动操作,自动化管理水平较低。

　　 为提升水厂供水水质,水厂进行了全面的升级改造,在常规工艺基础上,增加活性炭—超滤联用深度处理工艺,改造后工艺流程如图2所示。

　　 将水厂原有石英砂滤池直接改为活性炭池。受到滤池池高及滤池与清水池高架合建的结构形式的限制,滤池池体结构难以大幅改造调整。因此,参照规范及中试滤柱试验的相关结论,最终对活性炭池进行如下改造:

　　 (1)滤池滤料改为1.5mm煤质柱状炭,炭层厚度1.10m,最大膨胀率35%;承托层厚度100mm,选用粒径2~4 mm和4~8 mm的石英砂各50mm。滤池正常过滤速度7.2 m/h,空床接触时间8.7min。滤池冲洗周期见表1。

　　 (2)修补滤池池壁,更换滤池滤板、滤头。为防止活性炭池藻类及微生物滋生,在滤池表面增设不锈钢活动盖板以避免阳光照射。

　　 (3)考虑到现状滤池改造受制因素较多,为保证其充分的空床接触时间,炭层厚度越大为宜,但是厚度过高在反冲洗时膨胀也易出现活性炭流失的情况,为此在原反洗排水槽两侧增设可调堰板,以提高排水槽高度避免活性炭流失。

　　 超滤进水来自活性炭池后水,通过进水泵加压提升进入超滤膜组件。所选超滤膜为外压式中控纤维膜,PVDF材质,共有6组,每组由56支膜元件组成。膜元件型号为SFP2880,其主要参数见表2。

　　 超滤系统由进水系统、反洗系统、化学清洗及废水中和系统、压缩空气系统及在线监测仪表组成(见图3)。系统所在车间分上下双层布置。一层主要为辅助设备层,包括进水池、反洗池、中水水池、回收池等4座钢筋混凝土结构的水池,以及进水泵、冲洗泵、废水泵、加酸加碱组合设备等。

　　 超滤装置具有手动/自动控制模式。装置有三种运行工况,分别为待启动状态、工作状态和冲洗状态。在膜车间及中控室通过PLC灵活控制系统运行。中控室可实时显示膜系统的运行状况,设备及运行步序故障报警均在控制系统上显示(见图4),因此超滤膜车间实现无人值守。

　　 超滤系统产水量大小可通过选择投入膜组件数、膜通量、反冲时间等参数进行设定。膜系统运行初期,技术人员以6套膜组件同时投入运行,膜通量为70L/(m²·h)进行参数设定,膜系统最大产水量为1 650m³/h,达到产水量4万m³/d的设计要求。但实践中发现,受供水峰谷期及原水供应调度影响,水厂各时段的进水量差异较大,最低为800 m³/h,最高可达到1 900m³/h,即某些时段膜系统会出现产能不足,这给运行人员生产控制造成极大不便。另外,膜系统运行一段时间需要进行离线化学清洗,还应考虑膜系统最不利制水工况条件下,即一组膜处于化学清洗或故障停用,只有5套膜组件投入运行时也能满足生产要求的情况。通过研究厂家提供的膜适用技术参数(见表3),以5套膜组件运行为条件重新调整超滤系统膜通量及反冲时间等运行参数。经测试,5套膜组件的最大瞬时产水量能够达到2 010m³/h,剔除反洗水量后,5套膜组件运行时的最大产水量为1 775m³/h,产水浊度0.07~0.08NTU,跨膜压差在40~70kPa范围波动,产水2μm以上颗粒小于20个/mL,在水质水量上均达到生产需求。超滤系统运行参数优化前后对比见表4。

　　 为防止水中无机盐、胶体和溶解性有机物及污泥、微生物降解产物等对膜表面及膜孔造成堵塞,降低膜通量。除保证进超滤膜前水质外,超滤系统在每次冲洗中均加入10 mg/L浓度次氯酸钠抑制膜组件内细菌滋生,因此超滤系统膜污染情况控制良好,系统初始运行时平均跨膜压差为40~70kPa,运行1年后缓慢上升至60~80kPa。通过用1%草酸溶液和0.1%氢氧化钠溶液对膜系统进行化学清洗后,系统跨膜压差恢复至初始水平。

　　 表5为水厂改造前后主要出水水质指标比较。从表5可见,改造后水厂出水水质相对于原有工艺更为稳定,浊度、余氯、耗氧量等指标明显优于改造前。常规工艺条件下,出厂水偶有水蚤微生物检出,最高值为2个/100L。而自活性炭—超滤深度处理工艺运行以来,出厂水水蚤数量一直为0。

　　 生产过程中对各工艺段的浊度、pH、耗氧量、微生物等水质关键指标长期跟踪检测,了解工艺设施运行效果,为水质管控提供依据。

　　 浊度是饮用水最重要的水质指标之一,反映了水中悬浮物质、胶体等的含量情况。浊度与隐孢子虫、贾第鞭毛虫之间具有一定相关性。美国环保署(USEPA)的研究表明,降低出厂水浊度至0.5NTU以下,可以大幅度降低原虫传播的风险,并且当浊度降低至0.3 NTU,原虫的去除率可达到99%,当浊度降至0.1NTU,则原虫的去除率可以达到99.9%。我国《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)对浊度的限值为1 NTU。从图5可见,沉淀池出水浊度波动较大,在0.76~4.9NTU,活性炭池出水浊度受沉后水影响较大,其变化趋势与沉后水浊度变化基本一致,浊度波动在0.14~1.57NTU。膜出水浊度基本不受进水浊度变化影响,稳定在0.07~0.1NTU。

　　 从图6可见,水厂沉淀池出水pH在7.21~7.79,目前活性炭池出水pH在6.99~7.12,下降幅度为2%~10%。水厂次氯酸钠消毒剂投加点在膜出水集水池处,次氯酸钠水解后强碱性,因此膜出水pH高于活性炭池出水,在7.08~7.24。

　　 图7、图8是水厂使用深圳水库、正坑水库原水(在工艺调试期间曾用到)时,各工艺段出水水蚤密度变化。从图中可见,两种原水蚤密度情况差异较大,深圳水库水剑水蚤密度最高只有70个/100L,正坑水库水最高可达到1 159个/100L。沉淀阶段对原水中的剑水蚤已大部分去除,活性炭阶段对沉后水的剑水蚤有部分去除,受原水影响,活性炭池出水蚤密度最高达到114个/100L。超滤膜工艺的出水蚤数量一直保持0个/100L。

　　 耗氧量是反映水中有机物含量的综合性指标。从图9可见,投入正式运行以来,活性炭与超滤膜联用工艺对耗氧量的总去除率在33%~44%。活性炭工艺运行初期对耗氧量的去除率较高,达到30%以上,约8个月后,对耗氧量的去除率降至17%~25%。在补充部分活性炭后,活性炭池耗氧量去除率曾有明显提高,但持续时间不长。超滤工艺对耗氧量的去除率随着活性炭池耗氧量去除率的下降反而逐渐上升,从低于10%最后达到15%~25.5%。

　　 (1)活性炭-超滤联用处理技术将两种工艺优势集于一体,在沙头角水厂深度处理示范工程中得到了较好的验证,不仅提高了水厂正常情况下的供水水质,而且显著提高了水厂应对水源水质突变的应急能力。

　　 (2)活性炭池出水的剑水蚤数量明显少于沉后水,无常见的浮游动物大量繁殖问题,说明目前活性炭池的冲洗方式对炭层内微生物群落滋生有明显的抑制作用。

　　 (3)活性炭池对水中有机物的综合去除能力下降较快,同时活性炭层积聚的残余有机物引起水的酸度增加,造成出水pH下降。因此,应密切关注活性炭池水质变化,如条件许可,建议定期替换部分活性炭。

　　 (4)超滤膜作为活性炭后续工艺,对稳定水质起到重要保障作用。除了能有效去除水中胶体颗粒、藻类等微型生物以及微生物外,还能去除部分有机物,极大地提高水的纯净度及微生物安全保障水平。

　　 (5)超滤系统运行参数可调范围大,如何进一步优化系统运行,在保障水质水量,设备安全运行的情况下,控制膜污染,延缓跨膜压差上升,降低能耗将是水厂今后研究目标。